Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Etude physique de l'apparition et du développement de la cavitation sur une aube isolée

Guennoun, Mohamed Faiçal ; Avellan, François (Dir.) ; Farhat, Mohamed (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3574.

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    Summary
    The physical mechanism that governs the incipience and development of leading edge cavitation on hydrofoils is still not fully understood. It involves several parameters such as the pressure level, the nuclei content, the surface roughness and the boundary layer with strong interaction between each other. In the present study we have carried out an experimental investigation to analyze the role of these parameters on the vaporization process. The case study is the water flow over a 2D NACA0009 hydrofoil placed in the test section of the EPFL high speed cavitation tunnel. Wall pressure measurements as well as high speed visualization are carried out for a large variation of hydrodynamic conditions and surface roughness. First the analysis of nucleation effect led us to distinguish between homogeneous nucleation, characterized by free micro bubbles within the liquid stream, and the surface nucleation, which consist of micro sized volume of gas trapped between the liquid and solid surface. The later, which results from a lack of wettability, depends on the surface roughness as well as the physical and chemical properties of the solid (hydrophobic or hydrophilic surfaces).Experimental evidence of the existence of such nucleation is clearly made in both still and flowing liquids. Our experiments have revealed that surface nucleation plays a major role in the cavitation onset and development over lifting hydrofoils. A novel mathematical model is proposed to predict the growth of a single nucleus from a surface roughness element with respect to surrounding pressure and surface tension in still liquid. For moderate Reynolds numbers and low incidence angles, we have demonstrated that the liquid may withstand negative pressure, with absolute values as -1 bar, without vaporization. We have also investigated a particular development of periodic bubble cavitation. We have demonstrated that such bubbles originate from surface nucleation and described the physical process of growth and advection of single surface nucleus. The generation frequency of such bubbles was found to vary substantially from one nucleation site to another. Indeed, besides the pressure level, the size of non wetted volume in the hydrofoil surface is a dominant parameter in the vaporization rate. As the traveling bubbles evolve on the hydrofoil surface, they interact strongly with the boundary layer and outer flow. According to pressure signals, we have shown that while the bubbles grow, they remain slightly above the hydrofoil surface and a moving 3D boundary separation is evidenced in their back. We have also shown that as the pressure level is reduced below a threshold value, which is different from one nucleation site to another, the periodic bubble cavitation turns into attached spot cavitation in a continuous way. The role of the boundary layer state in the cavitation onset and development has been also investigated. We believe that for smooth surfaces (i.e. low Reynolds number based on roughness height), the onset of attached cavitation requires a laminar separation of the boundary layer as already stated by several authors. Nevertheless, this condition is no more required when surface nucleation occurs. In this case, the cavity is continuously fed with vapor generated at its detachment. Finally, the cavitation occurrence on a single indentation on the hydrofoil surface has been investigated. We have demonstrated the significant role of sheer stress on the vaporization process and questioned the pressure based criterion for cavitation incipience. We have shown that for flowing liquids, the criterion based on the maximum tensile stress is more appropriate.
    Résumé
    Les conditions d'apparition et de développement de la cavitation attachée sur un profil hydrodynamique sont loin d'être totalement élucidées en dépit d'innombrable études réalisées à ce sujet. Outre le niveau de pression, elles font intervenir plusieurs autres paramètres tels que l'état de nucléation du liquide, la rugosité des parois solides ainsi que l'état de la couche limite. Aussi, le but de la présente étude expérimentale est de mieux comprendre l'influence de chacun de ces paramètres. Le cas test est l'écoulement autour d'un profil 2D Naca 0009 placé dans la veine d'essais du tunnel de cavitation de l'EPFL. Des mesures de pression en paroi ainsi que des visualisations à haute vitesse sont réalisées pour une large gamme de variation des paramètres hydrodynamiques et de la rugosité du bord d'attaque du profil. Nous avons dans un premier temps analysé l'effet des germes sur le processus de vaporisation. Nous avons montré que pour une eau dégazée et un profile lisse (faibles nombres de Reynolds, basé sur la rugosité moyenne), le liquide est capable de supporter une tension excessive (pression absolue de -1 bar) sans rupture. Par ailleurs, nous avons été conduit à distinguer entre la nucléation homogène, caractérisée par des micro bulles libres au sein du liquide, et la nucléation de surface qui résulte de la présence de volumes de gaz piégés entre le liquide et les parois solides. Ce dernier type de nucléation est dû au défaut de mouillabilité et dépend principalement des propriétés physico-chimiques de la surface solide et de sa rugosité. Nous avons pu mettre en évidence le phénomène de nucléation de surface dans le cas d'un liquide au repos et avons proposé un modèle mathématique pour décrire l'évolution d'un germe issu de la surface. Dans le cas d'un écoulement à faible incidence, nous avons pu mettre en évidence pour la première fois que la nucléation de surface génère une cavitation particulière à bulles périodiques. La fréquence de lâcher de ces bulles diffère considérablement d'un site de nucléation à un autre. La diminution de la pression a pour effet d'augmenter la fréquence des bulles avec comme conséquence ultime la transition à un spot attaché à la paroi. Nous avons proposé une description physique de la formation et la convection des bulles périodiques. La dynamique de ces bulles de cavitation est analysée au moyen de la mesure de la pression en paroi. L'analyse des signaux de pression en paroi nous a permis d'établir qu'au fur et à mesure que la bulle grossit, elle se maintient légèrement au dessus de la paroi et l'augmentation de la pression générée à son amont est à l'origine d'un décollement tridimensionnel qui suit la bulle. Le rôle de la couche limite dans le mécanisme d'apparition et le développement de la cavitation a également été analysé. Nous avons établi que l'équilibre mécanique d'une poche de cavitation sur une surface lisse exige la présence d'un décollement laminaire de la couche limite. Cependant, dans le cas d'une cavitation due à la nucléation de surface, le décollement de la couche limite laminaire n'est pas nécessaire. La poche est constamment alimentée en vapeur depuis le site de nucléation de telle manière à compenser la condensation qui survient en aval. Finalement, les observations de la formation de la cavitation sur des indentations et des protubérances artificielles placées au voisinage du bord d'attaque du profil, ont mis en évidence l'influence des contraintes cisaillement sur le mécanisme d'apparition et de développement de la cavitation. Nous avons remarqué que des filaments de vapeur persistent pour des valeurs élevées de la pression absolue. Nous en déduisons que le critère classique d'apparition de la cavitation basé sur la pression statique n'est pas suffisant et qu'il doit être remplacé par un autre critère basé sur la pression statique et le cisaillement dans le liquide.